文/李 剛

復(fù)合頂板巷道圍巖支護(hù)是巷道支護(hù)的難點(diǎn)。鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦61607主運(yùn)順槽巷道頂板為復(fù)合頂板，巷道頂板易冒頂，控制難度較大。為解決此難題，龍王溝煤礦采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，探究復(fù)合頂板矩形巷道的支護(hù)技術(shù)，通過(guò)采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案，有效控制了復(fù)合頂板矩形巷道的變形破壞，保證了巷道的長(zhǎng)期穩(wěn)定。

一、工程概況

61607主運(yùn)順槽巷道老頂為粗砂巖，平均厚度約為9.46m，巖性為灰白色及雜色，塊狀，粗（細(xì)）粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主；老頂粗砂巖下部為6上煤層，平均厚度約為1.18m，煤層較穩(wěn)定；6上煤層下部為直接頂泥巖，平均厚度約為10.56m，巖性為深灰色、質(zhì)軟、塊狀，平坦?fàn)顢嗫?，見滑面；直接頂泥巖下部為6#煤層，平均厚度為21.9m，為較穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜；6#煤層下部老底為粗砂巖，平均厚度為6.4m，巖性為灰白色，粗粒結(jié)構(gòu)，成分以石英、長(zhǎng)石為主。

二、錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)作用機(jī)理

在巷道開挖初期，圍巖自身整體性較好，通過(guò)錨桿的加固作用，錨巖支護(hù)體的承載能力較高，圍巖在一定變形范圍內(nèi)可以保持自身的穩(wěn)定。隨著圍巖變形的增大，錨巖支護(hù)體的承載能力和自穩(wěn)性降低，同時(shí)圍巖集中應(yīng)力移向深部，圍巖變形趨于穩(wěn)定。在錨巖支護(hù)體失穩(wěn)前，再通過(guò)錨索的懸吊作用，保持錨巖支護(hù)體和圍巖的穩(wěn)定。錨桿和錨索各自發(fā)揮了自身的優(yōu)勢(shì)，互相取長(zhǎng)補(bǔ)短，從而大大改善了錨桿支護(hù)的整體支護(hù)性能，達(dá)到控制圍巖大變形的目的。

金屬網(wǎng)可支撐非錨固區(qū)域的破碎巖碎塊，防止發(fā)生塌落，在非錨定巖層之間傳遞荷載，使錨桿由單點(diǎn)支撐轉(zhuǎn)化為多個(gè)錨桿形成的系統(tǒng)支護(hù)，可有效降低局部支護(hù)強(qiáng)度減小造成的巷道整體不穩(wěn)定性。金屬網(wǎng)的柔韌性使其能更好地適應(yīng)圍巖的變形破壞，其剛度又可以改善巷道圍巖的應(yīng)力條件，為圍巖提供支撐反作用力。工程實(shí)踐表明，金屬網(wǎng)在動(dòng)壓巷道中起著至關(guān)重要的作用，特別是在穩(wěn)定性較差的巷道中，金屬網(wǎng)與錨桿的聯(lián)合使用可以更好地控制巷道圍巖的變形。

三、支護(hù)參數(shù)理論計(jì)算

1.錨桿直徑的確定

錨桿直徑計(jì)算公式：

式中： d—錨桿直徑，mm；

Q—錨桿錨固力，取值為150kN；

經(jīng)計(jì)算可得

綜合考慮6#煤層沿空巷道沿煤層底板掘進(jìn)，煤層較厚且存在夾矸，為使錨桿的支護(hù)效果及成本達(dá)到最佳，頂板采用Φ22mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，兩幫采用Φ20mm的左旋無(wú)縱筋螺紋鋼錨桿，能夠滿足高錨固力，達(dá)到材料節(jié)約、施工方便的要求。

2.錨桿長(zhǎng)度的確定

計(jì)算公式：

式中： L—錨桿長(zhǎng)度，m；

K—安全系數(shù)，取2.8；

L1—錨桿外露長(zhǎng)度，一般取值為0.1m；

L2—錨桿插入穩(wěn)定巖層的長(zhǎng)度，取值為0.6m；

H—自然平衡拱的高度，取0.6m，

將各參數(shù)代入上式可得L=2.38m，所以錨桿長(zhǎng)度取值為2.4m。

根據(jù)工程類比法，結(jié)合錨桿錨索支護(hù)參數(shù)和實(shí)際維護(hù)狀況，考慮一定的安全系數(shù)，頂板錨桿間排距采用800mm×900mm，兩幫錨桿間排距采用900mm×900mm。

3.錨索支護(hù)參數(shù)的確定

根據(jù)6#煤層地質(zhì)條件、頂?shù)装鍘r性，以及平均厚度為21.9m的實(shí)際情況，考慮錨索的強(qiáng)度校核條件、安全性、經(jīng)濟(jì)型，最終確定錨索規(guī)格為：直徑為21.6mm，長(zhǎng)度為8.3m。

根據(jù)工程類比法，結(jié)合錨桿錨索支護(hù)參數(shù)和實(shí)際維護(hù)狀況，確定頂板錨索間排距為1200mm×1800mm，煤柱幫錨索間排距為1600mm×1800mm。

4.其他支護(hù)材料參數(shù)確定

頂網(wǎng)、幫網(wǎng)網(wǎng)片采取2700mm×1100mm的金屬網(wǎng)。W鋼帶的寬度為280mm，長(zhǎng)度分別為2000mm、4000mm、5200mm。錨桿托盤使用150mm×150mm×10mm的鼓形托盤。錨索托盤使用300mm×300mm×16mm的鼓形托盤。

5.支護(hù)技術(shù)方案

頂板錨桿采用φ22×2400mm的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，錨桿排距為900mm，間距為800mm。錨索采用φ21.6×8300mm的高強(qiáng)度低預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)錨索，間距為1200mm，排距為1800mm。兩幫錨桿采用φ20×2400mm的螺紋鋼錨桿進(jìn)行支護(hù)，間距為9000mm，排距為900mm。

頂板、兩幫鋪設(shè)長(zhǎng)×寬=2700mm×1100mm的六邊形金屬網(wǎng)，鋪好后必須及時(shí)聯(lián)網(wǎng)，鋪網(wǎng)時(shí)要求網(wǎng)與網(wǎng)搭接，搭接寬度為5 0 m m。錨桿托盤使用150mm×150mm×10mm的鼓形托盤。錨索托盤使用300mm×300mm×16mm的鼓形托盤。

四、數(shù)值模擬研究

1.模擬方案

以61607工作面主運(yùn)順槽為研究對(duì)象，參照煤巖層物理力學(xué)參數(shù)，利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D建立三維數(shù)值計(jì)算模型，模型尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=30m×35m×1m，計(jì)算采用莫爾—庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模型左右、前后、下邊界均為固定約束，上表面為自由約束。

2.模擬結(jié)果

巷道進(jìn)行錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)后，可以計(jì)算出垂直位移、垂直應(yīng)力，得到巷道垂向位移云圖和水平位移云圖。

由巷道垂向位移云圖可知，在頂板中部出現(xiàn)最大下沉，下沉量為389mm。在頂板錨桿和錨索作用的徑向拉伸作用下，頂板拉應(yīng)力區(qū)域較少，主要發(fā)生剪切破壞，巷道兩幫的垂向應(yīng)力集中區(qū)與巷道表面的距離為3.89～6.28m，最大垂向應(yīng)力為27.1MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為2.71。

由巷道水平位移云圖可知，巷道兩幫的最大位移量為228mm，位于兩幫的中部區(qū)域，巷道兩幫中部區(qū)域出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力范圍和拉應(yīng)力值均較小，兩幫沒(méi)有發(fā)生拉伸破壞，發(fā)生剪切破壞。

五、礦壓監(jiān)測(cè)

采用十字布點(diǎn)法安設(shè)表面位移監(jiān)測(cè)斷面。在頂?shù)装逯胁看怪狈较蚝蛢蓭退椒较蜚@φ29mm、深380mm的孔，將Φ29mm、長(zhǎng)400mm的木樁打入孔中。頂板和上幫木樁端部安設(shè)彎形測(cè)釘，底板和下幫木樁端部安設(shè)平頭測(cè)釘。用測(cè)槍、測(cè)桿或鋼卷尺進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量精度要求達(dá)到1mm。對(duì)61607工作面主運(yùn)順槽頂?shù)装寮皟蓭蛧鷰r表面變形進(jìn)行觀測(cè)，圍巖變形曲線如圖1所示。

圖1 圍巖變形曲線圖

由圖1可看出，圍巖變形量隨著主運(yùn)順槽的掘進(jìn)一直增加，當(dāng)距離掘進(jìn)工作面145m以后，巷道頂?shù)装寮皟蓭偷膰鷰r變形趨于穩(wěn)定，頂?shù)装遄冃瘟糠€(wěn)定在238.4mm，兩幫變形量穩(wěn)定在201.5mm，表明采用錨網(wǎng)索支護(hù)技術(shù)后，可有效地控制復(fù)合頂板巷道的變形破壞。

六、結(jié)語(yǔ)

（1）為解決龍王溝煤礦61607主運(yùn)順槽復(fù)合頂板矩形巷道易冒頂垮落、難支護(hù)等問(wèn)題，基于錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)理論，提出錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)技術(shù)方案。通過(guò)理論計(jì)算，確定了主要支護(hù)技術(shù)參數(shù)。

（2）通過(guò)數(shù)值模擬驗(yàn)證了支護(hù)技術(shù)的有效性，同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)實(shí)踐表明：采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)方案后，頂?shù)装遄畲笞冃瘟考s為238.4mm，兩幫最大變形量約為201.5mm，表明該技術(shù)方案切實(shí)可行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)合頂板巷道圍巖變形的有效控制。